客滾船通風系統控制功能設計

俞 劍，徐 謙，朱靜波，張慧亮，崔寶明，顧敏敏

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

滾裝船內裝載有很多車輛，車輛在裝卸貨過程中會排放燃油尾氣，這些尾氣會在滾裝處所內擴散，進而危害人員健康[1]。因此，相較于其他區域，滾裝處所對通風系統的要求較高，通風系統的設計是客滾船設計的難點和重點之一。在進行通風系統設計時，設計人員較為關注氣流場分析[2-3]、噪聲控制[4]、風道壓力損失計算[5]等難題，而容易忽視系統控制功能的設計，進而導致很多系統調試和使用方面的問題。近年來，電氣自動化技術發展迅速，變頻器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、通信網絡等技術已在通風系統中取得廣泛應用。因此，設計人員不僅要掌握通風系統的控制功能，還要懂得設計方法，這樣才能更好地完成整改系統的設計工作。

本文以某客滾船為例，基于節能和安全這2 個關鍵點，從通風馬達控制中心、防火風閘控制箱、控制網絡和控制邏輯等4 個方面對滾裝處所通風系統的控制功能設計進行分析。

1 滾裝處所通風系統

滾裝處所通風系統示意圖見圖1。風機分別布置在艉部、舯部和艏部。根據艏門和艉門開閉狀態的不同，可將船舶運行狀態分為海上航行、艏部裝卸貨、艉部裝卸貨等3 種工況，不同工況下風機的運行情況見表1。滾裝處所在裝卸貨和海上航行時的每小時換氣次數分別為20 次和10 次。艉部風機為可逆風機，在艏部裝卸貨時進行抽風，在海上航行時進行送風。舯部風機僅在裝卸貨時使用，可有效減少艏部和艉部的風機風量。

圖1 滾裝處所通風系統示意圖

表1 不同工況下的風機運行

在滾裝處所布置空氣質量傳感器，每組傳感器能夠監測一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）的質量濃度，以及可燃氣體的爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL），風機根據危險氣體的質量濃度進行變頻控制。根據國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的相關要求，CO 的質量濃度不得超過40 mg/m3，NOx的質量濃度不得超過 40 mg/m3，可燃氣體的LEL 不得超過10%。假設風機的幾何比例因子為1，在風機功率效率和空氣密度不變的情況下，風量、壓頭、功率與頻率之間的關系分別見式（1）～式（3）[6]。

式中：f1為原風機變頻器頻率；f2為調節后的風機變頻器頻率；Q1為原風機風量；Q2為調節后的風機風量；H1為原風機壓頭；H2為調節后的風機壓頭；P1為原風機功率；P2為調節后的風機功率。

當滾裝處所的風機頻率降低10%時，風機的功率會降低至原來的72.9%，變頻控制的節能效果非常顯著。

2 通風馬達控制中心（VMCC）

根據風機位置，分別在艏部、舯部和艉部布置馬達控制中心（Ventilation Motor Control Center，VMCC）（見圖2）對風機進行供電和控制。VMCC將主配電板中690 V 主電源的電分配給各個風機開關，再通過變頻器和濾波器輸送給風機馬達。應急切斷信號（Emergency Shut Down，ESD）和來自火警系統的報警信號可通過控制接觸器來切斷風機主電源。失電報警信號可通過硬線將信息反饋至綜合自動化系統（Integrated Automation System，IAS）。VMCC 是滾裝處所通風系統的控制中心，其控制回路由230 V 的不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）進行供電。VMCC 內安裝PLC，可獲取空氣質量傳感器的模擬信號，并通過輸出信號來控制風機的變頻器。PLC 通過接口連接觸摸屏，船員可通過觸摸屏控制整個通風系統。

圖2 通風馬達控制中心（VMCC）示意圖

由于690 V 的電壓較高，故布置濾波器對風機馬達進行保護[7]，濾波器應盡量靠近變頻器布置。濾波器具有如下作用：1）能對由于變頻器引起的尖峰電壓起到良好的抑制作用[8]；2）減少電動機絕緣損壞；3）減小電機噪聲和高頻電磁噪聲；4）降低軸承電流和軸電壓；5）增加變頻器和馬達之間變頻電纜的敷設距離[9]。

3 防火風閘

風機和風閘之間實行邏輯連鎖，防止因人為誤操作引起的事故[10]。當風閘關閉時，未運行的風機無法啟動，已運行的風機會立刻關閉。

在消防控制站內布置防火風閘控制箱（見圖3），控制面板上包含“就地/遠程”按鈕。若選擇“就地”，則可在此控制箱的面板上單個或成組控制風閘開關；若選擇“遠程”，則可在貨艙通風VMCC 上單個或成組控制風閘開關。通過應急配電板和UPS 對防火風閘控制箱進行冗余供電，可將風閘狀態信號通過硬線反饋至貨艙通風VMCC 和火警系統，并接受相應控制信號。

圖3 防火風閘控制箱示意圖

4 控制網絡

圖4 為滾裝處所通風系統的控制網絡。根據風機的具體位置，共布置3 臺VMCC。其中，舯部風機VMCC 為主站，內部安裝有網關，通過此網關將滾裝處所通風系統的信號傳遞至貨控室的供熱、通風與空調（Heating, Entilation and Air Conditioning，HVAC）控制系統的網關。艉部風機VMCC 與主站的距離較近，其PLC 信號通過網線直接接入舯部風機VMCC 的網關，而艏部風機VMCC 與主站的距離較遠，PLC 信號需要先通過網關轉接，再用光纖進行傳送。貨控室內的HVAC 控制系統從網關獲取信號，并對整個滾裝處所的通風系統進行監控。

圖4 滾裝處所通風系統控制網絡示意圖

5 控制邏輯

滾裝處所通風系統的控制邏輯見圖5。VMCC上包含“就地/遠程”按鈕。若選擇“就地”，則通過VMCC 上的觸摸屏對系統進行控制；若選擇“遠程”，則可在HVAC 電腦上對系統進行控制。VMCC觸摸屏和HVAC 的電腦上均有“自動/手動”按鈕。若選擇“手動”，則手動對單個風機或風閘進行控制；若選擇“自動”，則風機根據貨艙的空氣質量進行自動調節。風機和風閘的狀態信號，以及監測貨艙內空氣質量的傳感器信號都會傳遞至VMCC 和HVAC 系統。

圖5 滾裝處所通風系統控制邏輯

6 結論

通風系統的控制功能對客滾船設計非常重要。本文從通風馬達控制中心、防火風閘控制箱、控制網絡和控制邏輯等4 個方面詳細分析了滾裝處所通風系統的控制功能，本文的設計方案可有效減少能耗，保障安全性能。